Cours Logique et Calculabilité

Cours Logique et Calculabilité
L3 Informatique 2013/2014
Texte par Séverine Fratani, avec addenda par Luigi Santo canale
Version du 11 février 2014

2

Table des matières
1 Introduction 5
1.1 Pourquoilalogique? ................................... 5
1.1.1 La formalisation du langage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 La formalisation du raisonnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Logiqueetinformatique ................................. 6
1.3 Contenuducours..................................... 6
2 Calcul propositionnel 7
2.1 Introduction........................................ 7
2.2 Syntaxe du calcul propositionnel : les formules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Sémantique du calcul propositionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Modèlesd’uneformule.............................. 10
2.3.2 La conséquence logique (d’un ensemble de formules) . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3 Décidabilité du calcul propositionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Equivalenceentreformules................................ 18
2.4.1 Lasubstitution.................................. 18
2.4.2 Equivalences classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Formesnormales ................................. 19
2.5 LeproblèmeSAT..................................... 21
2.5.1 Définitionduproblème.............................. 21
2.5.2 Un problème NP-complet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.3 Modélisation - Réduction à SAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.4 Algorithmes de résolution de SAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.5 Sous-classesdeSAT ............................... 30
2.5.6 LesSAT-solvers.................................. 32
2.5.7 Applications ................................... 33
2.5.8 Surlamodélisation................................ 35
2.6 Systèmesdepreuves ................................... 36
2.6.1 La notion de système formel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.2 La méthode de la coupure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.3 Systèmes de preuve à la Hilbert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7 Les règles du calcul des séquents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8 Résumé .......................................... 45
3 Calcul des prédicats 49
3.1 Introduction........................................ 49
3.2 Préliminaires ....................................... 49
3.2.1 Lesfonctions ................................... 49
3.2.2 Lesrelations ................................... 50
3.3 Unexemple........................................ 50
3.3.1 Interprétation1.................................. 50
3.3.2 Interprétation2.................................. 51
3.3.3 Interprétation3.................................. 51
3.3.4 Interprétation4.................................. 51
3

4TABLE DES MATIÈRES
3.3.5 Interprétation5.................................. 51
3.3.6 Interprétation6.................................. 52
3.3.7 Comparaison des interprétations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 Expressionsetformules ................................. 52
3.4.1 Lestermes .................................... 52
3.4.2 Lelangage .................................... 53
3.4.3 Les formules du calcul des prédicats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.4 Occurrences libres et liées d’une variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5 Sémantique ........................................ 56
3.5.1 Structures et valuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.5.2 Evaluation .................................... 57
3.5.3 Unexemple.................................... 58
3.5.4 Vocabulaire.................................... 59
3.6 Manipulationdeformules ................................ 61
3.6.1 Substitution de variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.2 Equivalences classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.3 FormesNormales................................. 62
3.7 Unification ........................................ 64
3.7.1 Substitions et MGUs............................... 64
3.7.2 Algorithme d’unification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.7.3 Correction et completude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8 Résolution......................................... 68
3.8.1 Substitution, sur les formules propostionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.8.2 Les règles du calcul de la résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.8.3 Utilisation d’un démonstrateur automatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4 Calculabilité 77
4.1 MachinesdeTuring ................................... 77
4.2 Problèmesdedécision .................................. 78
4.3 Unproblèmeindécidable................................. 79
4.4 ThèsedeChruch ..................................... 79
4.5 Indecidabilité de la logique du premier ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Chapitre 1
Introduction
1.1 Pourquoi la logique ?
1.1.1 La formalisation du langage
Le mot logique provient du grec logos (raison, discours), et signifie "science de la raison". Cette
science a pour objets d’étude le discours et le raisonnement. Ceux-ci dépendent bien entendu du
langage utilisé. Si on prend le langage courant, on se rend compte facilement :
—qu’il contient de nombreuses ambiguïtés : nous ne sommes pas toujours sûrs de la sémantique
d’un énoncé ou d’une phrase. Par exemple : « nous avons des jumelles à la maison ». (Deux
filles ou des lunettes optiques ?) Ou « il a trouvé un avocat » (le professionnel ou le fruit ?)
—qu’il est difficile de connaître la véracité d’un énoncé : « il pleuvra demain », « Jean est
laid », « la logique c’est dur ».
—qu’il permet d’énoncer des choses paradoxales :
1. «Jemens»:commepourtoutparadoxedecetype,onaboutitàlaconclusionquesi
c’est vrai alors c’est faux. . . et inversement.
2. «Jesuiscertainqu’iln’yariendecertain»
3. Un arrêté enjoint au barbier (masculin) d’un village de raser tous les hommes du village
qui ne se rasent pas eux-mêmes et seulement ceux-ci. Le barbier n’a pas pu respecter
cette règle car :
—s’il se rase lui-même, il enfreint la règle, car le barbier ne peut raser que les hommes
qui ne se rasent pas eux-mêmes ;
—s’il ne se rase pas lui-même (qu’il se fasse raser ou qu’il conserve la barbe), il est en
tort également, car il a la charge de raser les hommes qui ne se rasent pas eux-mêmes.
4. Paradoxe de Russel : c’est la version mathématique du paradoxe du barbier : soit a
l’ensemble des ensembles qui ne se contiennent pas eux-même. Cet ensemble n’existe pas
car on peut vérifier que a2assi a/2a.
Tout ceci fait que les langues naturelles ne sont pas adaptées au raisonnement formel. C’est
pourquoi par exemple, on vous a appris un langage spécifique pour faire des preuves en mathéma-
tique. Une preuve mathématique ne peut être faite en utilisant tout le vocabulaire de la langue
naturelle car les énoncés et les preuves deviendraient alors ambiguës. Le langage utilisé en mathé-
matique est celui de la logique classique (en réalité, c’est un langage un peu plus souple, entre la
logique classique et la langue naturelle).
1.1.2 La formalisation du raisonnement
Une fois le langage formalisé, ce qui intéresse les logiciens c’est le raisonnement, et en particulier,
la définition de systèmes formels permettant de mécaniser le raisonnement. Au début du 20ième
siècle, le rêve du logicien est de faire de la logique un calcul et de mécaniser le raisonnement et
par suite toutes les mathématiques. En 1930, Kurt Gödel met fin à cette utopie en présentant son
résultat d’incomplétude : il existe des énoncés d’arithmétique qui ne sont pas prouvable par un
5